Im Zuge des IGF-Vorhabens 19528 N „Umfassende numerische Simulationen von Zentrifugen: Trennung und Klassierung polydisperser Partikelsysteme“ erfolgte die Entwicklung einer Simulationsmethode zur Abbildung des gesamten Trennprozesses in einer Röhrenzentrifuge und die Fertigung einer modifizierten Scherzelle für ein Ringschergerät zur Bestimmung des Materialverhaltens der sich bildenden Sedimente. Es stellt das Anschlussvorhaben zu dem IGF-Vorhaben 18461 N dar.
Die Simulationsmethode ermöglicht die Durchführung von Langzeit-Simulationen des Trennprozesses polydisperser Partikelsysteme in Röhrenzentrifugen unter Berücksichtigung des lokalen Sedimentaufbaus und den Wechselwirkungen zwischen dem Sediment und den Strömungsbedingungen. Weiterhin hat sowohl das Kompressions- als auch das Fließverhalten des Sedimentes Einfluss auf die Sedimentverteilung im Rotor. Dadurch können sämtliche vorherrschende Vorgänge beim Trennprozess bei den Simulationen abgebildet werden. Die Simulationsmethode stellt dabei einen bestmöglichsten Kompromiss zwischen Detailgrad und Rechenzeitbedarf dar. Um diesen Kompromiss zu realisieren, basiert die Methode auf einem stark vereinfachten Euler/Euler-Verfahren, bei welchen die disperse Phase volumengemittelt betrachtet wird und zum Lösen der Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls die Flüssigkeit und die Partikel als eine Mischphase zusammengefasst sind. Es wird zusätzlich von dem Zustand quasi-stationärer Strömungsbedingungen zur Rechenzeitreduktion ausgegangen. Das Lösen einer Transportgleichung für jede Partikelklasse unter Berücksichtigung der lokalen Sinkgeschwindigkeit ermöglicht die Darstellung des Feststofftransportes trotz dem Mischphasenansatzes. Die Wechselwirkungen zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase finden durch bereichsweise definierte Funktionen zur Berechnung der lokalen Viskosität für die Suspension und das Sediment Berücksichtigung. Es wird auf zusätzliche Quellterme zur Modellierung des Impulsaustausches in den Erhaltungs- und Transportgleichungen verzichtet. Für das Sediment und die Suspension ist es möglich unterschiedliche Fließfunktionen zur Beschreibung des Fließverhaltens zu verwenden. Ein für die Simulationsmethode entwickeltes Kompressionsmodell erlaubt die Berücksichtigung von plastischen, elastischen oder plastisch-elastischen Kompressionsverhalten bei den Simulationen. Die Validierung der Simulationsmethode erfolgte mithilfe eines speziellen Einsatzes für eine Labor-Röhrenzentrifuge. Mit der Simulationsmethode ist es nun möglich den Trennprozess orts- und zeitaufgelöst vorherzusagen um die Prozess- und Maschinenauslegung zu unterstützen.
Die entwickelte Scherzelle für das rechnergesteuerte Ringschergerät RST.pc-01 der Fa. Dr. Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnik ermöglicht die Untersuchung des Materialverhaltens von gesättigten Haufwerken (Sedimenten) bei der Überlagerung von Normal- und Schubspannungen. Ein Drainage-System aus Drainage-Kanäle für die Porenflüssigkeit und Filtermedien führt zusammen mit einer dynamischen Dichtung zwischen Deckel und Unterteil der Scherzelle dazu, dass der Verfahrensraum der Scherzelle für die Partikel ein geschlossenes und für die Porenflüssigkeit ein offenes System darstellt. Der Aufbau der Drainage-Kanäle führt dazu, dass unabhängig des Kompressionsverhaltens die Poren des untersuchten Haufwerkes immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind. Somit ist die Charakterisierung des Materialverhaltens von Sedimenten bestehend aus den unterschiedlichsten Partikeln, von anorganischen festen Partikeln über kristalline Produkte bis hin zu verformbaren biologischen Partikeln, möglich. Die Scherzelle erlaubt auch die Untersuchung von Scherverdichtung.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 05/2017 bis 07/2019 am Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Lehrstuhl für Verfahrenstechnische Maschinen (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721 / 608-42404) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Hermann Nirschl (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. habil. Hermann Nirschl)
Das IGF-Vorhaben Nr. 19528 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.